Banco de prueba para determinación
de las curvas de Eficiencia de las
Turbinas Pelton Universidad Antonio
Nariño de Neiva-Huila sede
Buganviles
OLVER FRANCISCO ALARCÓN COVALEDA
Universidad Antonio Nariño
Facultad de Ingeniería Mecánica, Electrónica y Biomédica
Neiva, Colombia
2020
Banco de prueba para determinación
de las curvas de Eficiencia de las
Turbinas Pelton Universidad Antonio
Nariño de Neiva-Huila sede
Buganviles
OLVER FRANCISCO ALARCÓN COVALEDA
Proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar al título de:
Ingeniero Mecánico
Director (a):
Ingeniero Mecánico Karel Joel Arencibia Avila. PhD
Línea de Investigación:
REM
Universidad Antonio Nariño
Facultad de Ingeniería Mecánica, Electrónica y Biomédica
Neiva-Huila, Colombia
2020
¨La vida es tan efímera como para desgastarla
apegados a falsas ilusiones que nos impiden
ver lo verdaderamente positivo, bello y amable
que esta tiene¨.
- Olver Francisco Alarcón.
Agradecimientos
Primeramente, a Dios por brindarme la oportunidad de vivir una experiencia única, la cual
es poder culminar uno de los primeros objetivos de vida que me he propuesto, en segunda
instancia agradezco a mis dos abuelos LUZ MARINA OROZCO CORTÉS y OLIVERIO
ALARCÓN QUINTERO, quienes me han guiado en mi desarrollo intelectual y aportado
todo su amor en mi vida y todo su apoyo incondicional.
A mi novia VICKY YUSED SANDOVAL RODRÍGUEZ, quien por su perseverancia y
paciencia me ha enseñado a cumplir con mis metas y objetivos, gracias a su amor
incondicional he podido superarme más como persona sin importar el obstáculo que se
presente, pues sé que siempre estará para mí.
A el ingeniero KAREL JOEL ARENCIBIA AVILA por estar en la batalla conmigo, por no
rendirse y sobre todo por cada uno de sus consejos, aparte de ser un maestro es un amigo
incondicional y un excelente guía.
A mi señor padre OLIVER FRANCISCO ALARCON OROZCO, mi hermano JHON ELVIS
HERNÁN ALARCÓN y mi tío LEANDRO ALFONSO ALARCÓN por su colaboración en los
momentos que los necesite.
A la empresa SERVITEINS J & I S.A.S y su personal calificado, especialmente a su gerente
general IVAN CARDOZO BOTELLO por su colaboración y atención a pesar de la
adversidad.
A la Universidad Antonio Nariño, en especial al personal de la seccional Neiva que hacen
posible un ambiente estudiantil de calidad, a la facultad de ingeniería mecánica, docentes
y directivos de la misma.
Resumen y Abstract
VII
Resumen
El banco didáctico hidroeléctrico existente en la Universidad Antonio Nariño de la sede
Neiva, no presta servicios actualmente por una serie de roturas, daños y falta de
mantenimiento, esta situación imposibilita tanto a estudiantes como profesores realizar las
prácticas de laboratorios referidas a diferentes asignaturas. El proyecto de tesis se enfoca
en una propuesta de mejora para la recuperación y actualización del banco didáctico
hidroeléctrico que existe en la universidad Antonio Nariño seccional Neiva-Huila sede
Buganviles. El banco didáctico mejorado permitirá realizar análisis y estudios didácticos
de determinación de curvas características en turbinas Pelton para una mejor compresión
de las asignaturas mecánica de los fluidos, máquinas hidráulica y termodinámica
fundamentalmente. Para la recuperación del banco didáctico hidroeléctrico se procedió a
realizar primeramente una caracterización y diagnóstico, luego se procede a plantear las
mejoras técnicas y finalmente, se presenta una guía de prácticas de laboratorio. Una vez
desarrollado el mantenimiento e introducidas las mejoras el banco de pruebas y la
propuesta de ejercicios a desarrollar, los estudiantes y profesores del programa de
ingeniería mecánica de la (UAN) Sede Buganviles dispondrán de mejores condiciones para
una mejor compresión de los conceptos estudiados, teorías presentadas por el
profesorado y el logro de las habilidades necesarias para un futuro ingeniero mecánico.
Palabras
claves:
Banco
didáctico
características, Guía de laboratorio.
hidroeléctrico,
Turbina
Pelton,
Curvas
VIII
Banco de prueba para determinación…
Abstract
The existing hydroelectric didactic bank at the Antonio Nariño University of the Neiva
campus does not currently provide services due to a series of breaks, damage and lack of
maintenance, this situation makes it impossible for both students and teachers to carry out
laboratory practices related to different subjects. The thesis project focuses on an
improvement proposal for the recovery and updating of the hydroelectric didactic bank that
exists in the Antonio Nariño university, Neiva-Huila branch, Buganviles headquarters. The
improved didactic bench will allow to carry out analysis and didactic studies of determination
of characteristic curves in Pelton turbines for a better understanding of the subjects
mechanics of fluids, fundamentally hydraulic machines and thermodynamics. For the
recovery of the hydroelectric didactic bench, a characterization and diagnosis were first
carried out, then the technical improvements were proposed and finally, a laboratory
practice guide was presented. Once the maintenance has been developed and the
improvements to the test bench and the proposal of exercises to be developed have been
introduced, the students and professors of the mechanical engineering program of the
Buganviles Headquarters will have better conditions for a better understanding of the
concepts studied. theories presented by the faculty and the achievement of the necessary
skills for a future mechanical engineer.
Keywords: Hydroelectric didactic bank, Pelton turbine, Characteristic curves,
Laboratory guide.
Contenido
IX
Contenido
…………………………………………………………………………………………………PÁG.
RESUMEN .......................................................................................................................... VII
ABSTRACT ....................................................................................................................... VIII
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... XI
LISTA DE TABLAS ............................................................................................................ XII
LISTA DE ECUACIONES ................................................................................................. XIII
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS .................................................................... XIV
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1
OBJETIVOS.......................................................................................................................... 3
OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................................................... 3
OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................................................................. 3
ALCANCE ............................................................................................................................. 4
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................. 4
1.
CAPÍTULO I. MARCO DE REFERENCIA.................................................................... 1
1.1.
MARCO TEÓRICO .............................................................................................................................. 1
1.1.1.
ENERGÍA HIDRÁULICA .................................................................................................................... 1
1.1.2.
MÁQUINA HIDRÁULICA .................................................................................................................. 1
1.1.3.
CLASIFICACIÓN DE LAS TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS. ........................................................................ 2
1.1.3.1. TURBOMÁQUINAS MOTRICES. .......................................................................................................... 2
1.1.3.2. TURBOMÁQUINAS GENERATRICES. .................................................................................................... 2
1.1.3.3. TURBOMÁQUINAS REVERSIBLES........................................................................................................ 2
1.1.4.
TURBINAS HIDRÁULICAS. ................................................................................................................ 3
1.2.
TURBINA PELTON.............................................................................................................................. 5
1.3.
BANCO DIDÁCTICO DE ENSAYOS ............................................................................................................ 8
1.4.
CURVAS CARACTERÍSTICAS DE EFICIENCIA EN TURBINAS HIDRÁULICA .............................................................. 9
1.4.1.
CURVAS CARACTERÍSTICAS CAUDAL VS VELOCIDAD UNITARIA ................................................................... 9
1.4.2.
CURVAS CARACTERÍSTICAS TORQUE VS VELOCIDAD DE ROTACIÓN (RPM) ................................................. 11
1.4.3.
CURVAS CARACTERÍSTICAS ALTURA VS POTENCIAL ÚTIL ......................................................................... 12
1.4.4.
CURVAS CARACTERÍSTICAS TORQUE VS PRESIÓN MANOMÉTRICA ............................................................. 13
1.5.
APORTES NOTABLES PUBLICADOS EN LAS REVISTAS ESPECIALIZADAS ............................................................. 14
2.
CAPÍTULO II. BANCO DIDÁCTICO........................................................................... 16
2.1.
2.2.
3.
CARACTERIZACIÓN DEL BANCO DIDÁCTICO EXISTENTE............................................................................... 16
DESCRIPCIÓN DEL BANCO DIDÁCTICO EXISTENTE ..................................................................................... 19
CAPÍTULO III. PROPUESTA DE MEJORAMIENTO ................................................ 22
3.1.
3.1.1.
3.1.2.
3.1.3.
PLANTEAMIENTO DE MEJORAS ........................................................................................................... 22
CÚPULAS DE PROTECCIÓN ............................................................................................................. 24
RODACHINAS ............................................................................................................................. 25
TUBERÍA ................................................................................................................................... 25
X
Banco de prueba para determinación…
3.1.4.
DINAMÓMETRO ..........................................................................................................................26
3.1.5.
VÁLVULA ANGULAR......................................................................................................................27
3.1.6.
INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN ........................................................................................................28
3.1.6.1. MANÓMETROS ...........................................................................................................................28
3.1.6.2. CAUDALÍMETRO DIGITAL ...............................................................................................................29
3.1.6.3. TACÓMETRO LÁSER .....................................................................................................................30
3.1.6.4. VATÍMETRO DIGITAL ....................................................................................................................31
3.2.
MANTENIMIENTOS ..........................................................................................................................31
3.2.1.
MANTENIMIENTO CORRECTIVO.......................................................................................................32
3.2.1.1. BOMBA ....................................................................................................................................32
3.2.2.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO.......................................................................................................33
3.2.2.1. ESTRUCTURA..............................................................................................................................33
3.2.2.2. CONEXIONES ELÉCTRICAS ..............................................................................................................33
3.3.
PROGRAMA DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO .......................................................................................35
4.
CAPÍTULO IV. GUÍA DE LABORATORIO ................................................................ 36
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
4.8.
4.9.
4.10.
4.11.
4.12.
4.13.
5.
OBJETIVOS .....................................................................................................................................36
VARIABLES DE PUNTO DE OPERACIÓN ...................................................................................................36
CONSTANTES DE PUNTO DE OPERACIÓN ................................................................................................37
ALTURA DEL SISTEMA .......................................................................................................................37
CÁLCULO DE TOQUE DE LA TURBINA .....................................................................................................38
VELOCIDAD ANGULAR DE LA TURBINA ...................................................................................................38
CAUDAL UNITARIO DE LA TURBINA .......................................................................................................39
VELOCIDAD UNITARIA DE LA TURBINA ...................................................................................................39
EFICIENCIA DE LA ENERGÍA DE LA TURBINA .............................................................................................40
POTENCIA ÚTIL O MECÁNICA ..............................................................................................................40
POTENCIA NETA O HIDRÁULICA ...........................................................................................................41
TABLAS A RELLENAR .........................................................................................................................41
GRÁFICAS ......................................................................................................................................44
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................. 49
5.1.
5.2.
CONCLUSIONES ...............................................................................................................................49
RECOMENDACIONES.........................................................................................................................50
A. Anexo: Certificación de funcionamiento de la válvula angular…...………………..51
B. Anexo: Certificación de funcionamiento de manómetros…………………………..52
C. Anexo: Certificado de funcionamiento caudalímetro digital………………………..64
D. Anexo: Manual de funcionamiento tacómetro…………………………………………66
E. Anexo: Certificado de mantenimiento bomba……………………………………...….69
F. Anexo: Certificado de funcionamiento vatímetro…………………………….………70
G.Anexo: Plan de mantenimiento preventivo……………………………………………..71
H.Anexo: Tabla de presupuesto………………………………………………….………….72
Contenido
XI
Lista de figuras
.……………………………………….………………………………………………………PÁG.
Figura 1-1:
Figura 1-2:
Figura 1-3:
Figura 1-4:
Figura 1-5:
Figura 1-6:
Figura 1-7:
Figura 1-8:
Figura 1-9:
Figura 1-10:
Figura 2-1:
Figura 2-2:
Figura 2-3:
Figura 3-1:
Figura 3-2:
Figura 3-3:
Figura 3-4:
Figura 3-5:
Figura 3-6:
Figura 3-7:
Figura 3-8:
Figura 3-9:
Figura 3-10:
Figura 3-11:
Figura 3-12:
Figura 4-1:
Figura 4-2:
Figura 4-3:
Figura 4-4:
Figura 4-5:
Turbinas hidráulicas (Mataix, 1982) ........................................................... 4
Giros de turbinas (blogger.com, 2015). ...................................................... 5
Turbina Pelton (Olver 2020)........................................................................ 6
Eficiencia de diferentes turbinas con relación… (Barstad, 2012) .............. 7
Válvula de aguja “inyector” (Diez, 1996) .................................................... 8
Alabe o cuchara (Diez, 1996) ..................................................................... 8
Caudal unitario VS Velocidad unitaria (maquirriain, 2017) ...................... 10
Torque VS Velocidad de rotación (maquirriain, 2017) ............................. 11
Atura VS Potencia útil (maquirriain, 2017) ............................................... 12
Torque VS Presión manométrica (maquirriain, 2017).............................. 13
Banco didáctico, turbina y generador (Olver 2020). ................................ 19
Banco didáctico, tubería y complementos (Olver 2020). ......................... 20
Elementos de hidroeléctricas con turbina Pelton (faeitch2012, 2012) ..... 20
Diagrama del proceso y disposición de elementos… (Olver 2020) .......... 24
Rodachinas para andamio (Olver 2020) ................................................... 25
Dinamómetro de resorte (Olver 2020). ..................................................... 26
Válvula angular (Olver 2020) .................................................................... 27
Manómetro (Olver 2020) ........................................................................... 28
Caudalímetro digital (Olver 2020) ............................................................. 29
Tacómetro digital laser RPM (Olver 2020) ............................................... 30
Vatímetro digital (Olver 2020) ................................................................... 31
Comparativa del mantenimiento Bomba (Olver 2020) ............................. 32
Comparativa del mantenimiento estructura (Olver 2020) ........................ 33
Comparativa del mantenimiento Conexiones eléctricas (Olver 2020) ..... 34
Banco de pruebas para turbinas Pelton(Olver 2020) ............................... 35
Caudal unitario VS Velocidad unitaria (maquirriain, 2017) ...................... 44
Toque VS Velocidad de rotación (maquirriain, 2017) ............................. 45
Altura VS Potencia útil (maquirriain, 2017) ............................................. 45
Toque VS Presión manométrica (maquirriain, 2017) .............................. 46
Diagrama del proceso y disposición de elementos… (Olver 2020)......... 48
Contenido
XII
Lista de tablas
………………………………………………………………………………………………..PÁG.
TABLA 2-1:
Componentes del banco de ensayo actual. (Olver 2020). ....................... 18
Contenido
XIII
Lista de ecuaciones
………………………………………………………………………………………………..PÁG.
Ecuación 4-1: Atura (Mataix, 1982) .................................................................................. 37
Ecuación 4-2: Torque (Mataix, 1982)................................................................................ 38
Ecuación 4-3: Velocidad angular (Mataix, 1982) .............................................................. 38
Ecuación 4-4: Caudal unitario (Mataix, 1982)................................................................... 39
Ecuación 4-5: Velocidad unitaria (Mataix, 1982) .............................................................. 39
Ecuación 4-6: Eficiencia de una turbina (Mataix, 1982) ................................................... 40
Ecuación 4-7: Potencia útil o mecanica (Mataix, 1982) ................................................... 40
Ecuación 4-8: Potencia neta o hidráulica (Mataix, 1982) ................................................. 41
Contenido
XIV
Lista de símbolos y abreviaturas
Símbolos
Símbolo
H
G
𝜌
𝛾
Q
𝑄1
𝑝
Τ
W
𝑛1
𝑛
𝜋
D
F
𝑅𝑡
Pútil
Pneta
Término
Altura
Gravedad
Densidad
Peso especifico
Caudal
Caudal unitario
Presión
Torque
Velocidad angular de la turbina
Velocidad unitaria
Velocidad de rotación
Número PI
Diámetro de la turbina
Fuerza
Radio turbina
Potencia mecánica
Potencia hidráulica
Unidad SI Definición
m
m/s2
Kg/m3
N/m3
L/min
L/min
PSI o Lb/in2
N/m
Rad/s
RPM
RPM
Adimensional
m
N
m
Watts
Watts
Introducción
Los ingenieros mecánicos precisan de combinar la teoría con la práctica para el desarrollo
del aprendizaje, de manera que sea más eficiente y para lograrlo acude a talleres
experimentales y hasta laboratorios dotados con maquinaria adecuada para aplicar y
comprobar teorías que son enseñadas en aulas de clases. El profesor de la universidad
de los Andes (Valdés, 1996) en su libro “Colombia al filo de la oportunidad” crítica la
educación colombiana: “Colombia requiere un nuevo sistema educativo que fomente
habilidades científicas y tecnológicas, así como culturales y socio-económicas”…”…la
educación en ciencia y tecnología es casi inexistente en la educación formal primaria y
secundaria, e ineficiente en gran parte de la educación superior.”
En la Universidad Antonio Nariño, facultad de ingeniería mecánica, electromecánica y
biomédica (FIMEB) engloba como visión (GENERALIDADES, s.f.) “Mantener todos sus
programas de ingeniería actualizados y competitivos a nivel nacional e internacional
mediante la adopción de la iniciativa internacional CDIO (concebir – diseñar – implementar
– operar) mejorando la relación universidad – empresa – estado mediante proyectos de
investigación, pasantía y proyectos de grado”…”formar ingenieros con conocimientos
sólidos, conscientes de la sociedad y de ámbito empresarial”. Por lo tanto, es muy
contradictorio que la seccional Neiva-Huila sede Buganviles, carezca de un banco de
pruebas para turbinas Pelton y metodología, que aproveche el banco didáctico picohidroeléctrico existente, e impida el tratamiento de prácticas de laboratorio que promulgue
el desarrollo de las teorías vistas en clases.
En la universidad Antonio Nariño en el laboratorio de ingeniería mecánica existe un banco
producto del desarrollo del trabajo de grado “DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN
MARCHA
DE
UN
BANCO
DIDÁCTICO
PICO
HIDROELÉCTRICO
PARA
LA
GENERACIÓN DE 200 W DE ENERGÍA ELÉCTRICA POR MEDIO DE UNA TURBINA
KAPLAN” de los autores Roger Fabián Gonzales Trujillo, Joselito Medina Chindo y Jairo
Hernando Hincapié. Lamentablemente durante varios meses el banco no se encontraba
funcionando, lo que trajo consigo su deterioro provocando que no pudieran realizar las
funciones para las que fue construido, a partir de un diagnóstico y caracterización del
banco y atendiendo a las necesidad de que los estudiantes de ingeniería mecánica puedan
desarrollar prácticas de laboratorio para turbinas Kaplan y Pelton se propone las mejoras
2
Introducción
y la incorporación de un grupo importante de instrumentos que permiten la determinación
de las curvas características.
Para suplir la carencias de prácticas didácticas para la determinación de las curvas de
eficiencia, se presenta la propuesta de recuperar el banco didáctico pico hidroeléctrico ya
existente, y aplicarle modificaciones que permitan su actualización y convertirlo en un
banco funcional y accesible a los estudiantes que aporte a los futuros ingenieros
mecánicos, las bases académicas e investigativas del funcionamiento general de una
hidroeléctrica, hasta la determinación de las curvas de eficiencia, a través de la vinculación
de la teoría con la práctica y la realización de ensayos controlando importantes variables
como son: presión, caudal, fuerza de freno prony, velocidad de rotación RPM, torque,
voltaje, amperaje, velocidad y volumen, etc.
Por otra parte, otorgaría la posibilidad a la Universidad seccional Neiva-Huila de tener
ingenieros capaces de competir en el área, puesto que, en el Huila existen dos
hidroeléctricas de gran importancia las cuales son: La Central Hidroeléctrica de Betania
con una capacidad de generación de energía de 540,9 MW (conflictos-ambientales, 1987);
y La Central Hidroeléctrica del Quimbo con una capacidad de generación de energía de
400MW (enel, s.f.); el Huila es un departamento con una gran extensión hidrográfica la
cual está siendo explotada para el beneficio energético.
La generación de energía de las hidroeléctricas es fuente de desarrollo para el
mejoramiento de la calidad de vida de comunidades urbanas y rurales, siendo estas a su
vez municipios, pueblos y corregimientos enteros que tienen el beneficio de aprovechar
dicho recurso energético, es bien sabido que como todo desarrollo se necesita avanzar
para satisfacer nuevas necesidades del futuro, agregando a lo anterior instruir una nueva
promoción de ingenieros que estén capacitados para laborar eficaz y correctamente en
esta área de trabajo supondría un beneficio en el aprovechamiento de las centrales
hidroeléctricas del país.
Introducción
3
Objetivos
Objetivo General
Mejorar y contribuir a un banco didáctico hidroeléctrico, para determinar las curvas de
eficiencia de una turbina Pelton.
Objetivos Específicos
 Diagnosticar y caracterizar el banco didáctico.
 Instalar en el banco didáctico un caudalímetro, tacómetro, dinamómetro y vatímetro
para determinar las curvas de eficiencia de una turbina Pelton.
 Implementar la puesta en marcha del banco y proponer una guía de laboratorio.
4
Introducción
Alcance
En el presente trabajo de investigación, se realiza la caracterización y diagnóstico de
un banco de ensayo, con limitaciones en su funcionamiento que impide la realización
de prácticas didácticas, luego se realizan ligeras mejoras estructurales y la
introducción de la instrumentación adecuada permitiendo el estudio de los principios,
características y principales parámetros de funcionamiento de las turbinas Pelton, con
la finalidad de la ejecución de prácticas de laboratorio que generen impacto en el
estudio de este tipo de tecnología. El nuevo banco didáctico, permite el estudio de las
curvas de eficiencia, así como, se implementa una guía de estudio que ayuda a
comprender el comportamiento de las curvas de eficiencia de caudal unitario vs
velocidad unitaria, torque vs velocidad de rotación, altura vs potencia útil y torque vs
presión manométrica.
Justificación
Por la importancia que reviste la preparación de los estudiantes en el área energética.
De las potencialidades energéticas existentes en el departamento del Huila y la
necesidad de promover el interés por desarrollar nuevos proyectos con enfoque en la
generación de energía hidroeléctrica, los estudiantes y profesores de la disciplina de
Máquinas Aparatos e Instalaciones Térmicas del programa de ingeniería mecánica de
la sede Neiva, precisan de un equipo de laboratorio -en este caso- un Banco de
Ensayo de Turbina Pelton, que permita interactuar con principios y fenómenos físicos,
involucrados en el proceso de producción de energía hidroeléctrica, para comprender
y evaluar conceptos por medio de la experimentación y el estudio del comportamiento
de las curvas de eficiencia.
1. Capítulo I. Marco de referencia
1.1. Marco Teórico
En este capítulo se hace referencia a los principales conceptos y elementos teóricos que
permiten una mejor compresión de la temática que se estudia.
1.1.1.
Energía Hidráulica
Es la Energía Hidráulica, el aprovechamiento de la energía potencial, que el agua posee
por la “diferencia de altura”, que por lo general tienen los ríos de forma natural o se obtiene
de forma artificial buscando la caída del agua de una altura mayor a un nivel inferior, la
fuerza de este proceso ayuda a trasformar dicha energía a una energía mecánica que hace
rotar la turbina. Existen distintas turbinas, pero todas hace girar en conjunto un eje, el cual
tiene en su otro extremo un generador que es capaz de convertir la energía mecánica de
rotación del eje, en energía eléctrica.
Por lo anterior, es correcto afirmar que la energía potencial disponible en el agua de un rio
o de yacimientos de agua “quebradas” tiene una relación directa con la caída que tenga el
caudal, la eficiencia principal que debe de tener la energía hidráulica es requerir la menor
cantidad de agua para satisfacer el proceso de producción de energía eléctrica (José.,
2002).
1.1.2.
Máquina Hidráulica
La máquina hidráulica es un artefacto capaz de convertir la energía hidráulica existente en
el agua en movimiento en energía mecánica; estos artefactos pueden ser motrices
“turbinas”, o generatriz “bombas”, modificando totalmente la energía total de la vena del
fluido que las cruza; en la investigación de las turbomáquinas hidráulicas se desprecian los
efectos de tipo térmico, pero no obstante en ocasiones se tendrá que precisar conceptos
termodinámicos. Todos los fenómenos que se analizarán estarán en un régimen
permanente, se clasifican por la velocidad de rotación y caudal constante de la máquina.
2
Banco de prueba para determinación…
En el sistema, el agua intercambia energía con el artefacto mecánico que gira en su eje de
simetría a una revolución, el eje lleva varios “rotores o rodetes” dotados de álabes, de tal
manera que entre ellos existen espacios libres o canales, por donde el agua circula de
manera que golpea los álabes o “cucharas”, y hace que el rotor tenga un giro por la energía
potencial que se transfiere.
1.1.3. Clasificación de las Turbomáquinas Hidráulicas.
Como primer tipo de clasificación se puede tomar como determinante la función que
desempeñan las Turbomáquinas hidráulicas de “fluido incomprensible”:
1.1.3.1. Turbomáquinas motrices.
Son aquellas que adquieren la energía cedida por el fluido que las atraviesa y así
transformándola en energía mecánica; estas de derivan en dos tipos.

Cinéticas o dinámicas; consisten de turbinas y ruedas hidráulicas.

Estáticas o de presión; consisten de alabes “paletas o cucharas”, de
engranajes o helicoidales entre muchas otras.
1.1.3.2. Turbomáquinas generatrices.
Son aquellas que aumentan la energía potencial o cinética del fluido que las atraviesa,
la energía mecánica que consumen estas máquinas es suministrada por un motor; el
cual puede ser.

Bomba de alabes, las cuales son bombas centrifugas y axiales.

Hélices marinas, su principio es diferente; estas proporcionan un empuje sobre
el casco de una embarcación.
1.1.3.3. Turbomáquinas reversibles.
En este grupo se encuentran las turbomáquinas generatrices como turbomáquinas
motrices las cuales su ciclo de funciones que ejecutan quedan aseguradas mediante
un rotor específico.
Capítulo 1

3
Grupo de Turbina-Bomba, se usan en centrales de acumulación eléctrica por
medio del bombeo.

Grupo de transmisión o acoplamiento, es aquel grupo que combina maquinas
motrices y generatrices, por medio de un acoplamiento “bomba-turbina”,
abastecidas en un sistema cerrado por un fluido generalmente “aceite”; en este
grupo están los cambiadores de par.
 Grupo de bulbo, se usan específicamente para el aprovechamiento de
centrales mareomotrices.
 Ruedas hidráulicas, son aquellas maquinas capaces de convertir la energía del
agua “potencial o cinética”, en energía mecánica (Diez, 1996).
1.1.4.
Turbinas Hidráulicas.
Una turbo maquina mono-celular tiene una serie de álabes fijos, también tiene
álabes movibles como “rueda, rodete y rotor”. Al asociar un motor fijo y una rueda
movible, básicamente se construye una parte de la turbo máquina de una sola
unidad la cual se compone de tres partes distintas “distribuidor, rodete y difusor”,
las cuales son cruzadas sucesivamente por un fluido.
Las partes como el distribuidor y difusor o tubo de admisión, hacen parte del estator
de la máquina, puesto que son órganos fijos similares como el rodete; pero el
distribuidor y difusor pueden ser partes inexistentes en determinadas turbinas. El
distribuidor es una parte fija que cumple la función de dirigir el agua, desde la
sección de entrada en la máquina hasta la entrada del respectivo rodete, así
distribuyendo a los alrededores del mismo, la “turbina de admisión total” o una parte
como “turbina de admisión parcial”, lo cual funcionan para regular la entra en la
turbina; a su vez es una parte que transforma la presión con la que el caudal golpea
a una velocidad proyectada, en las turbinas axiales y hélico-centrípetas procede de
una cámara espiral llamada “voluta”, lo cual permite que el agua desde la entrada
fluya hasta ella y así asegurar un reparto simétrico en la superficie de entrada del
difusor.
El rodete es un parte esencial en una turbina ya que es la pieza donde ocurre el
intercambio de energía entre el agua y la máquina, pues tiene partes como son los
4
Banco de prueba para determinación…
álabes, que hacen el primer paso para la trasformación de energía potencial o
cinética en energía mecánica. Considerando que la presión varíe en el rodete, se
clasificarían las turbinas de la siguiente manera. figura 1-1.
En turbinas de acción el agua es expulsada del distribuidor a una presión igual a la
de la atmosfera llegando al rodete con la misma presión. En estas turbinas la
energía potencial en su totalidad de salto se transfiere al rodete como energía
cinética.
Figura 1-1:
Turbinas hidráulicas (Mataix, 1982) .
En turbinas de reacción figuras 1-2 y 1-3, el agua que sale del distribuidor con una
presión determinada que disminuye a medida que el agua va atravesando los álabes
del rodete, entonces a la salida la presión puede ser igual a cero o negativa; en este
tipo de turbinas el agua circula a una presión en el distribuidor y en el rodete, por lo
que la energía potencial del salto se convierte en una parte en energía cinética y la
otra en presión.
El tubo de admisión o difusor es una línea de salida para el agua, en algunos casos
tiene ensanchamiento progresivo, recto o acodado, que se encuentra a la salida del
rodete y conecta hasta el canal de fuga, así aprovechando parte de la energía cinética
de salida del rodete por lo cual es recomendable ensanchar; si por alguna razón el
rodete se instala a una altura determina, sobre el canal de fuga, solo cumplirá la
función de cilindro difusor, el permitirá la recuperación del mismo o de otra forma se
perdería, lo contrario si no posee tubo de admisión, a lo que se le llamaría escape libre
(Diez, 1996).
Capítulo 1
5
En las turbinas de acción figura 1-4, la fuerza de empuje y la acción del agua son
coincidentes mientras que las turbinas de reacción dicha fuerza y acción del fluido son
totalmente opuestos; la fuerza de empuje es el resultado de la diferencia que existe
entre la velocidad, entrada y salida del agua en el rodete, según lo que se visualiza
sobre la perpendicularidad del eje de giro.
Observando la dirección de entrada del agua en las diferentes turbinas estas se
clasifican:
Figura 1-2:
Giros de turbinas (blogger.com, 2015).
1.2. Turbina Pelton
La turbina Pelton es un motor de acción, figura 1-3, el cual fue inventado en 1880 por
Lester Allan Pelton, el funcionamiento de la turbina consiste en pasar agua atravesando
así la boquilla “inyector” que es el que se encarga de llevar el flujo a los álabes
“cucharas”, dispuestos en la periferia de la rueda de dicha turbina, al ser golpeada por
el flujo del líquido, esta gira produciendo así energía mecánica. La turbina es fijada a
un eje, este a su vez con el movimiento de rotación de la turbina transmite a un
generador que esta acoplado al sistema mecánico de intercambio de energía.
6
Banco de prueba para determinación…
Figura 1-3:
Turbina Pelton (Olver 2020)
La turbina Pelton es utilizada cuando el salto de agua tiene bastante desnivel y tiene
caudales pequeños o que se consideren pequeños para otro tipo de turbinas, estas
turbinas son capaces de mantener un margen de empleo que va desde 60 y 1500
metros, son capaces de tener rendimientos máximos figura 1-4, de orden del 90%
(Diez, 1996).
El inyector es la pieza que cuenta con variedad de componentes figura 1-5. La turbina
Pelton, es utilizada cuando el salto de agua tiene bastante desnivel y tiene caudales
pequeños o que se consideren pequeños para otro tipo de turbinas, estas turbinas son
capaces de mantener un margen de empleo que va desde 60 y 1500 metros, son
capaces de tener rendimientos máximos figura 4, de orden del 90% (Diez, 1996).
El inyector, es la pieza que cuenta con variedad de componentes figura 1-5, los cuales
sirven para regular el caudal del chorro dispuesto para el funcionamiento de la turbina,
consta de una válvula de aguja cuya apertura es controlada por una carrera
determinada, para que la potencia del caudal de chorro se vea regulada es mediante
la utilización de una aguja que estará en el inyector la cual servirá para estrangular la
salida de la boquilla; también el inyector consta de un sistema de regulación por
Capítulo 1
7
desviación de chorro llamada deflector, el cual se coloca en medio del chorro
desviando así una parte del mismo para que este no produzca efecto útil vs la cazoleta.
Los álabes de una turbina Pelton “cucharas” tienen una forma de elipsoide figura 6, la
cual es dividida en dos por una arista que puede estar a ras de los bordes, las medidas
adoptadas en función del diámetro de chorro pueden ser las más favorables:
𝐴𝑛𝑐ℎ𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑧𝑜𝑙𝑒𝑡𝑎: 𝑏 = 3.75 𝑑
𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑧𝑜𝑙𝑒𝑡𝑎: ℎ = 3.50 𝑑
𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑧𝑜𝑙𝑒𝑡𝑎: 𝑓 = 1.50 𝑑
Los álabes figura 1-6, no siempre son colocados exactamente en sentido radial, sino
en forma que el chorro sea capaz de alcanzar completamente uno de ellos, es decir
este de forma perpendicular a la arista de el mismo, permitiendo que la separación del
álabe y el inyector sea lo más mínimo posible y permita la construcción, dejando que
sea golpeado por el chorro lo más cerca y así disminuir las pérdidas de salida abriendo
paso a que la circunferencia tangente al chorro “circunferencia Pelton”, corte a álabe
a
2ℎ
5
desde el interior.
Figura 1-4:
Eficiencia de diferentes turbinas con relación de capacidad
(Barstad, 2012)
8
Banco de prueba para determinación…
Figura 1-5:
válvula de aguja “inyector” (Diez, 1996)
Figura 1-6:
Alabe o cuchara (Diez, 1996)
1.3. Banco didáctico de ensayos
Una definición acertada para un banco didáctico de ensayos o (pruebas) puede ser:
una plataforma diseñada para lograr la obtención de prestaciones, funcionamiento y
datos, que se utilizan para poder estudiar el comportamiento de prototipos, parámetros,
o tener una puesta a punto del proyecto que se desarrolla. (diccionario.reverso.net, s.f.)
En (Valdés, 1996), se menciona la importancia que lleva la complementación de lo
teórico con lo práctico, por tal motivo se busca enseñar a los estudiantes de una
manera mas experimental en dispositivos diseñados en condiciones controladas para
que se puedan plantear y resolver teorías, dudas o mejoras. En (Cano, 2012) y
(Mantilla, 2012), se evidencia la importancia de contar con un banco de pruebas o
Capítulo 1
9
ensayos para poder tener un espacio experimental técnico. En sus conclusiones, hacen
referencia al trabajo grupal de 4 o 5 estudiantes, que se necesita para la intervención
de los mismos en partes especificas del banco de ensayos, tales como tacómetro,
válvulas, bombas, Multímetro y toma de datos
1.4. Curvas características de eficiencia en turbinas
hidráulica
Las curvas características de una turbina hidraúlica, muestran el comportamiento que
tienen las turbinas, para poder determinar una curva caracteristica primeramente se
debe conocer las variables que determinan el punto de operación y estas son, h = altura
se determina por formula, Q = Caudal expresada en el caudalimetro, F = Fuerza
expresada en el dinamometro, n = RPM expresada en el tacómetro láser y Pmano =
presión expresa en el manómetro. (RL, 2006)
1.4.1. Curvas características caudal vs velocidad unitaria
En esta curva característica se observa el comportamiento inversamente proporcional
del caudal unitario vs velocidad unitaria, en el gráfico se representa en una curva
hipérbola en la cual se posiciona la eficiencia en cada punto de intercepción, para
tomar estos datos se aplica la fórmula de caudal unitario 𝑄_1 = 𝑄/(𝐷^2 × √ℎ) y de
velocidad unitaria 𝑛_1 = (𝑛 × 𝐷)/√ℎ las variables de punto de operación Q = caudal y
n = RPM se obtienen por instrumentos de medición como lo es un caudalímetro y
tacómetro láser, la altura se obtiene por la fórmula ℎ = 𝑝/(𝜌 × 𝑔) que se calcula
observando la presión manométrica; las cuales son modificadas para ampliar el punto
de operaciones y registrar un nuevo dato en la gráfica, las constantes que se manejan
en esta curva características D = Diámetro la cual esta definida por el fabricante de la
turbina, 𝜌 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 esta definida por el fluido que se utiliza y 𝑔 = 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 es una
constante natural de aceleración (maquirriain, 2017).
10
Banco de prueba para determinación…
Para ubicar correctamente la eficiencia en el punto de intercepción de Q_1 y n_1 es
necesario
determinar
dicha
eficiencia
por
medio
de
su
fórmula
𝜂=
(𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎)/(ptenci𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎) la cual nos dará un resultado adimensional
que expresara en porcentaje la eficiencia que tiene la turbina pelton.
Figura 1-7:
Caudal unitario VS Velocidad unitaria (maquirriain, 2017)
Q(11)
m3/h
Gráfica de caudal unitario vs velocidad unitaria
0,07
0,06
49%
21%
0,05
0,04
33%
0,03
0,02
0,01
0
0
100
200
300
400
500
600
700
n(11)
RPM
800
Capítulo 1
11
1.4.2.
Curvas características torque vs velocidad de
rotación (RPM)
La curva característica de torque vs velocidad de rotación en RPM se observa el
comportamiento inversamente proporcional que tiene el torque vs velocidad de
rotación, en el gráfico se representa el comportamiento que tiene la turbina en
difererentes puntos de operaciones, el torque lo determina la fórmula T= 𝐹 × 𝑅𝑡 y
de velocidad de rotación se determina por el instrumento que en este caso es un
tacómetro láser (maquirriain, 2017).
Para poder calcular el torque es necesario determinar el punto de operación que
tiene el dinamómetro ya que no muestra la fuerza F que es capaz de producir la
turbina, luego es multiplicado por la constante Rt la cual se refiere al radio que
tiene la turbina.
Figura 1-8:
Torque VS Velocidad de rotación (maquirriain, 2017)
Gráfica de torque vs velocidad de rotación (RPM)
T
Nm
19,5
19
18,5
18
17,5
17
16,5
16
15,5
0
100
200
300
400
500
600
700
n
RPM
800
12
Banco de prueba para determinación…
1.4.3.
Curvas características altura vs potencial útil
Se determina la curva característica siempre que se aplique la ecuación ℎ =
𝑝/(𝜌 × 𝑔) como se explicó anteriormente, se debe calcular la altura en todos los
puntos operativos que se definen en la tabla de datos, el punto operativo lo registra
en esta ecuación el manómetro ya que es una variable (maquirriain, 2017).
Para la correcta construcción de la gráfica se debe calcular la potencia útil P UTIL o
potencia mecánica, es el resultado de la ecuación 𝑃𝑈𝑇𝐼𝐿 = 𝜏 × 𝑊 en la que se
debe hallar el torque como se explicó anteriormente, y la velocidad angular de la
turbina en unidades de S-1 para calcular la velocidad se debe proceder al factor
de conversión w = (2 × 𝜋 × 𝑛)/60 = (2 × 𝜋 × 𝑛_𝑖)/60 en la cual se toma el dato
con el instrumento de medición tacómetro láser.
Figura 1-9:
Atura VS Potencia útil (maquirriain, 2017)
Gráfica de altura vs potencia util
h
m
30
25
20
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
PUTIL
Watts
160
Capítulo 1
13
1.4.4.
Curvas
características
manométrica
torque
vs
presión
La curva característica se determina por el cálculo del torque T como se
expresó anteriormente y la presión manométrica P mano se visualiza por
medio de un instrumento de medición (manómetro), la presión ahí
registrada aporta en la definición de los puntos de operación (maquirriain,
2017).
Figura 1-10:
Torque VS Presión manométrica (maquirriain, 2017)
T
Nm
Gráfica de torque vs Presión manométrica
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
100
130
150
150
162
162
180
Pman
PSI
Las cuatro curvas presentadas anteriormente sirven para determinar el comportamiento
de una turbina Pelton con diferentes puntos de operación, al permitir que profesores y
estudiantes puedan configurar las variables que determinan el punto de operación y así
poder registrar el comportamiento de las demás variables; las tablas se utilizan para
determinar las variables que permitan utilizar la mayor eficiencia de la turbina.
14
Banco de prueba para determinación…
1.5. Aportes notables publicados en las revistas
especializadas
Importantes artículos se muestran en prestigiosas revistas como: Renewable and
Sustainable Energy Reviews, Energy, IOP Conference Series: Earth and
Environmental Science. A manera de síntesis aquí se presentan los principales
resultados de algunos de ellos.
A Židonis, GA Aggidis, en su artículo State of the art in numerical modelling of Pelton
turbines declaran que la turbina Pelton (o rueda Pelton) se encuentra entre las turbinas
de impulso más eficientes y ha conservado su existencia en la energía hidroeléctrica
durante más de un siglo. Sin embargo, a diferencia del desarrollo de las turbinas de
reacción, donde la dinámica de fluidos computacional (CFD) se ha aplicado con éxito
durante más de 20 años, hasta hace poco no era factible realizar análisis CFD de
turbinas Pelton debido a la naturaleza del flujo que es mucho más complejo que en las
turbinas de reacción.
Estos autores también abordan que los desarrollos recientes en modelos y
herramientas CFD, junto con el aumento continuo de los recursos computacionales,
están elevando el modelado CFD a un nivel adecuado para aplicaciones industriales
en el desarrollo de turbinas Pelton. (A Židonis, 2015)
Por su parte , K Patel y otros en su obra, Development of Pelton turbine using
numerical simulation, describen las actividades recientes de investigación y desarrollo
en el campo del diseño de turbinas Pelton. El flujo dentro de la turbina Pelton es más
complejo debido a la naturaleza multifase (mezcla de aire y agua) y a la superficie
libre. El cálculo numérico es útil para comprender la física del flujo y el efecto de la
geometría en el flujo. El diseño optimizado se obtiene utilizando un bucle de
optimización especial interno. Se podría realizar un cálculo numérico inestable
monofásico o bifásico.
Los resultados numéricos se utilizan para visualizar el patrón de flujo en el paso del
agua y para predecir el rendimiento de la turbina Pelton a plena carga y a carga parcial.
Se realizan pruebas de modelos para determinar el rendimiento de la turbina y muestra
una buena concordancia con el rendimiento predicho numéricamente. Finalmente, en
el artículo ofrece una breve descripción de los contenidos y objetivos de un proyecto
de investigación sobre chorros de turbinas Pelton realizado. Se discuten los efectos
que gobiernan la calidad de los chorros en las plantas Pelton, tales como: la dispersión
del chorro, que se define por el ensanchamiento del chorro con la distancia de la
boquilla e incluye la mezcla aire agua en la superficie del chorro, la desviación del
chorro, que es definida por la desviación de la línea central de los chorros del eje
teórico, la deformación descrita. (otros, 2010)
Otro interesante estudio fue desarrollado en una turbina Turgo proporcionando una
solución única y novedosa para aumentar la capacidad de una turbina de impulso
hidráulico mientras se mantiene la boquilla y el sistema de inyector de lanza (como se
Capítulo 1
15
usa en las turbinas Pelton) para la regulación del flujo. Esto ha producido una turbina
que opera en los rangos de flujo más altos generalmente reservados para las
máquinas Francis mientras mantiene una curva de eficiencia relativamente plana,
característica de las máquinas de impulso. (D.S.Benzon, 2016)
En su trabajo, el autor T. Staubli, muestra la remodelación de la HPP Rothenbrunnen
con tres turbinas Pelton gemelas horizontales, se reemplazaron los inyectores y se
modificaron los internos dentro de la carcasa. Los corredores no fueron reemplazados.
Las mediciones de eficiencia termodinámica antes y después de la renovación
proporcionaron una prueba de un aumento de eficiencia de hasta un 1,4 por ciento, un
resultado excelente para modificaciones tan mínimas. Además de las mediciones de
eficiencia, también se realizaron visualizaciones de flujo instalando una cámara y un
sistema de iluminación dentro de la carcasa de la turbina. Las visualizaciones
mostraron claramente una reducción de las salpicaduras de agua en la carcasa de la
turbina y una menor dispersión del chorro. (T Staubli, 2010)
2. Capítulo II. Banco didáctico
2.1. Caracterización del banco didáctico existente
El banco inicialmente fue creado por el aporte del trabajo de grado titulado “DISEÑO,
CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN BANCO DIDÁCTICO PICO
HIDROELÉCTRICO PARA LA GENERACIÓN DE 200W DE ENERGÍA ELÉCTRICA
POR MEDIO DE UNA TURBINA KAPLAN” de los autores Roger Fabián Gonzales
Trujillo, Joselito Medina Chindo y Jairo Hernando Hincapié, con el objetivo de
implementar un sistema de generación A.C, mediante el diseño y construcción de un
banco didáctico pico hidroeléctrico para la elaboración de prácticas estudiantiles en
áreas afines. Por diferentes razones de mantenimiento y funcionabilidad actualmente
no prestaba servicios a la comunidad de estudiantes de la carrera de ingeniería
mecánica, lo que como ya se explicó anteriormente limita el desarrollo de importantes
prácticas de laboratorio en el mismo con la determinación del comportamiento de las
curvas de eficiencia.
A continuación, se describe sucintamente las condiciones del banco didáctico existente
en el laboratorio de la Universidad Antonio Nariño, sede Neiva.

El grupo turbina-generador no funciona por el mal estado de la bomba
hidráulica.

El tanque con capacidad de 100 litros, para almacenamiento de agua, presenta
pequeñas afectaciones de corrosión.

La estructura del banco didáctico fue concebida con un espacio para colocar
un freno prony, sin embargo, nunca fue utilizado por que no se implementó el
dinamómetro que se recomendó.

La estructura del banco en general presenta pequeñas afectaciones de
corrosión.

El banco cuenta con una bomba MARATHON JVD162TCFR17007AA con
velocidad de rotación 3510 [RPM], que al realizar las pruebas de
Capítulo 2
17
funcionamiento no desarrolla prestaciones por encontrarse atascada por la
falta de mantenimiento.

En el proceso de determinar la situación del sistema de tuberías en general
pudo constatarse que se encuentra notablemente deteriorado, presentando
roturas y fugas.

El banco didáctico no presenta una válvula capaz de regular el flujo de agua
para que la apertura sea controlada por el contrario monta unas válvulas que
solo tiene una poción de abierto y otra de cerrado.

Los manómetros montados en el banco no permiten la lectura de presión del
agua en el sistema hidráulico y sus medidas son hasta 200 PSI.

El banco no presenta un instrumento de medición que permita determinar el
caudal del agua instantáneo en el sistema.

El banco no cuenta con un tacómetro láser capaz de medir la velocidad de
rotación RPM.

El banco cuenta con un generador SIEMENS 1LA7 080-4YA60 con 0.5 HP, El
generador presenta falta de mantenimiento por el tiempo sin estar funcionando.

Los acrílicos de protección que tiene el banco se encuentran en mal estado ya
que cuentan con roturas en su superficie.

La disposición de las conexiones y distribución de las partes del banco pueden
ser mejoradas para alcanzar una mayor funcionalidad del banco en su
conjunto.

El banco no permite obtener lectura de tensión eléctrica y de intensidad de
corriente eléctrica por que sus instrumentos de medición se encuentran en mal
estado.

El panel de control también presenta deterioro y su colocación entorpece la
maniobrabilidad para el desarrollo de las practicas.

El banco actual no presenta ruedas lo que dificulta para su traslado dentro del
laboratorio.
18
Banco de prueba para determinación…
TABLA 2-1: Componentes del banco de ensayo actual. (Olver 2020).
Cantidad
Nombre de pieza
Descripción
1
Turbina Pelton
1
Bomba
1
Generador
3
Manómetros
1
Panel de control
1
Estructura
1
Tanque
1
Eje
2
Cojinetes
1
Cúpula de protección
La cúpula de protección es fabricada
artesanalmente con acrílico de 2.5 mm
2
Polea
DAYCO 11A0545C 15215 de argentina
Rodete pelton con 14 alabes, diámetro de 0.34 m
y con un eje de 7/8 de pulgada de diámetro
MARATHON JVD-162TCFR17007AA L, con una
velocidad nominal de 3510 [rpm], trifásica con
potencia de 3 [HP]
SIEMENS 1LA7 070-4YA60 trifasico de
induccion, velocidad nominal de 1590 [rpm] y 0.5
HP cavallos de fuerza
Sin fabricante especificado, análogos con un
intervalo de medida 200 PSI sin certificación de
medición o resolución del indicador
Cuenta con dos botones pulsadores de inicio o
apagado de la bomba, un botón de emergencia,
dos llaves selectoras para las bobinas de campo
del generador y dos medidores análogos de
corriente y amperios.
Mono estructura soldada con unas dimensiones
de 0.81 m x 1.80 m, no cuenta con rodachinas
para facilitar su traslado.
Tiene unas dimensiones de largo = 𝐿 = 0.87 𝑚;
ancho = 𝑊 = 0.275 𝑚; alto = 𝐻 = 0.42 𝑚 con
capacidad de aproximadamente 100 litros y está
integrado en la mono estructura.
El eje que implementa la turbina tiene un
diámetro de 7/8 de pulgadas y 0.55 m de largo,
se desconoce su fabricante.
Fabricados por KML P205 de 7/8 de pulgada
Capítulo 2
19
2.2. Descripción del Banco didáctico existente
El banco didáctico que se encuentra en el laboratorio figura 2-1 y 2-2, aparecen las
partes y elementos mencionados anteriormente.
EL banco didáctico tiene una estructura sencilla que deja “visualizar” todos los
componentes que son necesarios para poder monitorear las variables más básicas
como lo son presiones y apertura del chorro libre, también se muestra los valores de
tensión eléctrica (voltaje) y la potencia (W) que consumen los componentes que están
siendo alimentados por el generador.
El banco didáctico resalta en su diseño que cuenta con un espacio para para instalar
un freno Prony el cual no está siendo aprovechado. Su estructura es compacta está
totalmente unida por pernos y soldadura. Lo cual lo hace un banco estructuralmente
compacto haciendo que esta no sea desmontable y se convierta en una sola unidad.
Figura 2-1:
Banco didáctico, turbina y generador (Olver 2020).
20
Banco de prueba para determinación…
Figura 2-2:
Banco didáctico, tubería y complementos (Olver 2020).
Los componentes que tiene básicamente una hidroeléctrica con turbina Pelton se
muestran en la figura 2-3. En el banco didáctico que se mejora, el agua luego de
circular se almacena nuevamente en el tanque, el cuál simula con su ubicación la
altura y la caída para conseguir la velocidad y energía suficientes para hacer funcionar
la turbina Pelton.
Figura 2-3:
Elementos de hidroeléctricas con turbina Pelton (faeitch2012, 2012)
Capítulo 2
21
Partiendo primeramente de la condición actual del banco de prueba, se determina que
no es apto para el funcionamiento, lo cual se necesita reparar las partes que se
reutilizaran estas son; Bomba, generador de electricidad, sistema eléctrico exceptuando
los instrumentos de medición.
3. Capítulo III. Propuesta de mejoramiento
3.1. Planteamiento de mejoras
Como se evidencia el Banco existente producto del trabajo de grado “DISEÑO,
CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN BANCO DIDÁCTICO PICO
HIDROELÉCTRICO PARA LA GENERACIÓN DE 200W DE ENERGÍA ELÉCTRICA
POR MEDIO DE UNA TURBINA KAPLAN”, construido con el objetivo de implementar
un sistema de generación A.C, mediante el diseño y construcción de un banco didáctico
pico hidroeléctrico para la elaboración de prácticas estudiantiles en áreas afines, el
banco didáctico carece de elementos para poder realizar prácticas de laboratorio para
determinar el comportamiento de las curvas eficiencia de caudal unitario vs velocidad
unitaria, torque vs velocidad de rotación, altura vs potencia útil y torque vs presión
manométrica, el adecuar el banco existente para que se puedan calcular las anteriores
curvas de eficiencia es muy necesario para poder ir a la vanguardia con los
conocimientos técnicos y prácticos en los programas de ingeniería.
Para poder determinar las curvas de eficiencia se hace necesario realizar unas series
de modificaciones al banco de ensayos en la figura 3-1 se encuentra un diagrama en
el cual se observa cómo será el sistema después de que culminen las modificaciones
y la consiguiente incorporación de instrumentos como:

Se remplazan las cúpulas de protección asegurando no tener fugas de agua y
contando con una protección a un área que alberga una turbina Pelton en
movimiento y representa peligro para el operador del banco, también se
remplazan las protecciones de las poleas y correas de la turbina al generador
y freno prony.

La implementación de rodachinas permite la movilización del banco de prueba
dentro y fuera del laboratorio, en el diseño del fabricante prevén el montaje de
4 rodachinas con una capacidad de carga cada una de 75Kg para un total de
300 Kg de peso total.

Al remplazar la tubería existente por una idéntica se asegura el funcionamiento
óptimo del banco de pruebas sin alterar su diseño.

Al implementar el dinamómetro se permite visualizar y controlar un punto de
operaciones en el banco de pruebas, aprovechando el espacio que fue
Capítulo 3
23
diseñado para esa función, la fuerza se expresa es en Newton o Kgf capaz
para hallar por medio de la fórmula el torque que produce la turbina y así poder
determinar las curvas características.

Se implementa una válvula angular que permite controlar el flujo de agua
determinando así 4 puntos de operación como son el caudal Q, la velocidad de
rotación RPM, la altura h y la fuerza Newton, los cuales son de gran importancia
para la determinación de las cuatro curvas características.

Al remplazar los manómetros por unos iguales que estén funcionales y con
certificación de calibración se tendrá la confianza de que la medición
manométrica a la salida de la bomba y salida del chorro libre será correcta.

Se implementa un caudalímetro vertical para determinar el caudal instantáneo
o del momento que pasa por el sistema hidráulico y determinar un punto de
operación del banco de prueba.

Se implementa un tacómetro láser para la obtención del punto operativo de la
velocidad de rotación RPM la cual nos permite calcular variables como
velocidad angular de la turbina y la velocidad unitaria, también permite
determinar las curvas características de torque vs velocidad de rotación, caudal
unitario vs velocidad unitaria y altura vs potencia útil.

Se implementa un vatímetro para remplazar los instrumentos análogos y la
identificación en tiempo real las medidas de tensión (V), intensidad (A) y
potencia (Watts) eléctrica.
24
Banco de prueba para determinación…
Figura 3-1: Diagrama del proceso y disposición de elementos del equipo (Olver
2020)
Tacómetro RPM portátil
laser
Tobera de diámetro
de ½
pulgada
Boquilla de salida
libre
Manómetros
Correa
Freno
Válvula #3 de bola
Freno
Prony
Turbina Pelton
con polea
Caudalímetro
Generado
r
Correa
Generador
Válvula #2 Angular
Tanque
Bomba
Válvula #1 flujo directo
Válvula tanque
3.1.1.
Cúpulas de protección
La cúpula de protección de la turbina se debe remplazar por una similar para brindar
la seguridad de que el líquido no salpicara por todas partes si no que por el contrario
revote en sus paredes cayendo así nuevamente a la tolva y posteriormente al tanque.
La cúpula tendrá resguardada la turbina, y permite visualizar lo que sucede
internamente por cuestiones práctico didácticas, también se necesita obtener
seguridad con respeto a la presión del agua que saldrá de chorro libre de la válvula
angular.
También se procede a cambiar la cúpula que protege las poleas y correas de la turbina
al generador y de la turbina al freno prony.
Capítulo 3
3.1.2.
25
Rodachinas
De la gran variedad de rodachinas que existen en el mercado se opta por utilizar
rodachinas para andamio certificado figura 3-2, las cuales son capaces de soportar
una carga de 100 kg la cual esta una ¼ parte por arriba de las recomendaciones del
fabricante del banco didáctico, en su construcción más básica la cual es de rueda de
hierro y banda con poliuretano, esto las hace muy resistentes y estables, garantes de
un agarre efectivo en el campo, el cual ofrece desplazamiento suave; la caracterista
de fabricación de estas rodachinas consisten en un rin de hierro fundido, banda de
poliuretano o ruedas completamente en poliuretano con un diametro de 4 pulgadas,
soporte galvanizado, rosca de sujeción de 3/8 pulgada.
Figura 3-2:
3.1.3.
Rodachinas para andamio (Olver 2020)
Tubería
Como ya se explicó el sistema de tuberías fue necesario reemplazarlo en su
totalidad, ya que su mal estado y disposición no permitía trabajar sobre ella para
poder realizar la adaptación e incorporar la válvula angular a la salida del chorro
libre y el caudalímetro vertical. Se utilizó el mismo tipo de tubería PVC que
montaba el banco didáctico.
26
Banco de prueba para determinación…
3.1.4.
Dinamómetro
El dinamómetro figura 3-3, es un instrumento que se utiliza para medir fuerzas,
son utilizados comúnmente para calcular el peso de un objeto, el dinamómetro
tiene un funcionamiento sencillo el cual consiste de la elongación de un resorte el
cual sigue la ley de Hooke.
Su implementación es oportuna para aprovechar la estructura designada para el
freno prony, al seguir la recomendación del trabajo de grado que diseño el banco
didáctico se integra al sistema un dinamómetro de 50 kg el cual es el doble de la
capacidad mínima recomendada por el fabricante del banco didáctico, al
aprovechar el freno prony se puede visualizar y controlar un punto de operaciones
en el banco de pruebas.
Figura 3-3:
Dinamómetro de resorte (Olver 2020).
Capítulo 3
3.1.5.
27
Válvula angular
Se nombra válvula a un accesorio cuyo objetivo es permitir o restringir el flujo de
un líquido. La válvula angular se constituye de un vástago con una cara plana que
tiene la función de ser un obturador sobre un orificio de menor diámetro a el orificio
de salida de la válvula; el vástago cuenta una rosca fina para que el
desplazamiento de la cara plana sea lento y puede tener más exactitud en la
regulación del caudal para experimentación.
La válvula angular figura 3-4, son muy utilizadas por su gran desempeño en
gabinetes contra incendios ya que trabajan a altas presiones sin que padezcan de
cavitación su certificación se encuentra en el anexo A.
Se implementa la válvula angular en el banco para que sea capaz de regular el
flujo del agua, determinando así 4 puntos de operación como son el caudal Q, la
velocidad de rotación RPM, la altura h y la fuerza Newton, los cuales son de gran
importancia para la determinación de las cuatro curvas características.
Figura 3-4:
Válvula angular (Olver 2020)
28
Banco de prueba para determinación…
3.1.6.
Instrumentos de medición
3.1.6.1. Manómetros
El manómetro es un instrumento de medición figura 3-5 que ayuda a identificar la presión
que lleva un gas o un fluido en un determinado conducto, los manómetros son distintos a
los barómetros que son los que miden la presión atmosférica por tal motivo su sistema y
funcionamiento son distintos, el sistema de medición que usa un manómetro es muy
variada pues dependiendo del sistema al que está sometido así mismo llevara su escala,
pues puede ser presentadas en bar, psi o pascales. La certificación de cada uno de los
manómetros se encuentra en anexo B.
Los manómetros tienen un porcentaje de error el cual viene identificado en la escala de
medición lo cual es importante tener en cuenta para la precisión de cálculos o de posibles
ensayos y ejercicios. Al remplazar los manómetros por unos con las mismas medidas, el
beneficio de los nuevos manómetros se encuentra en su certificación de calibración puesto
que tendremos un instrumento confiable al momento de evidenciar la medida de presión
manométrica del agua a la salida de la bomba y a la salida del chorro libre; en el momento
de conocer la presión manométrica se determina una de las variables de punto de
operación que me permitirá calcular la curva característica de torque vs presión
manométrica.
Figura 3-5:
Manómetro (Olver 2020)
Capítulo 3
29
3.1.6.2. Caudalímetro digital
El Caudalímetro digital es un instrumento de medición figura 3-6, que consta de un
rotor helicoidal el cual gira libremente en el interior del tubo, el funcionamiento
consiste en que el fluido empuje las aspas del rotor haciendo que estas giren a una
velocidad proporcional al caudal circulante.
Para obtener la medida, se precisa una bobina de inducción que son tratadas por un
convertidor eléctrico capta el giro de las aspas del rotor y genera una señal eléctrica
que proporciona el valor de caudal instantáneo, su certificación determina los
parámetros de funcionamiento anexo C.
Figura 3-6:
Caudalímetro digital (Olver 2020)
30
Banco de prueba para determinación…
3.1.6.3. Tacómetro Láser
El tacómetro láser figura 3-7 es un instrumento para medir las revoluciones por minuto
RPM de un objeto que rota; generalmente se emplean en la industria para medir la
velocidad de rotación de un objeto, por ejemplo, el eje de un motor.
Su implementación es necesaria para determinar las curvas características
expresadas anteriormente, sus parámetros y manual de uso están en el anexo D.
Figura 3-7:
Tacómetro digital laser RPM (Olver 2020)
Capítulo 3
31
3.1.6.4. Vatímetro digital
Es un instrumento figura 3-8 utilizado para proporcionar una indicación visual de la
potencia eléctrica (Watts), intensidad eléctrica (Amp) y tensión eléctrica (Voltios); se
implementa en el banco de prueba para la determinación de las tres principales
medidas eléctricas mencionadas anteriormente Anexo F.
Figura 3-8:
Vatímetro digital (Olver 2020)
3.2. Mantenimientos
Para poder proceder al montaje de los objetos anteriormente mencionados, se debe
primeramente realizar una serie de mantenimientos a la estructura, a la bomba, al
generador y las conexiones electricas.
32
Banco de prueba para determinación…
3.2.1.
Mantenimiento correctivo
Se denomina manteniemto correctivo aquel que corrigue los defectos observados en
el equipo o instalacion, en este caso se procede a realizar el manteniemto de la bomba
con una empresa especializad para lque localice los defectos y averias que esta
presentando.
3.2.1.1. Bomba
El mantenimiento que se le realizo es de tipo correctivo figura 3-9, el mismo se
dedico fundamentalmente a la parte interna, en la detección de defectos y averias
tales como: el impulsor, sello mecanico, tapa delantera de el impulsor, tapa trasera
del impulsor, rodamiento y eje del motor.
Se procede primeramente a hacer el cambio de el rodamiento del motor y la
limpieza de su eje, se sustituye el impulsor y se limpian sus respectivas tapas, por
ultimo se hace el cambio del sello mecanico (resorte y empaque de caucho), se
anexa la factura que certifica lo anteriormente dicho anexo E.
Figura 3-9: Comparativa del mantenimiento Bomba (Olver 2020)
Capítulo 3
3.2.2.
33
Mantenimiento preventivo
se denomina mantenimiento preventivo aquel mantenimiento que se dirije a la
conservación de el equipo o instalaciones mediante una revision y limpieza que
garantice su buen funcionamiento y fiabilidad.
3.2.2.1. Estructura
El mantenimiento que se le hace a la estructura es de tipo preventivo figura 3-10 ya
que solo se procede a lijar las partes que contienen corrosión para retirarla y dejar
expuesta la lámina.
Posteriormente se procede a aplicar una pintura llamada pintura de tráfico la cual
es utilizada para la demarcación en el pavimento por sus caracteristicas capaces
de resistir la abrasión y condiciones inherentes, por sus características es una
pintura ideal para aplicar en la estructura recubriendo asi la lámina y protegiendola
de la oxidación que se pueda producir.
Figura 3-10: Comparativa del mantenimiento estructura (Olver 2020)
3.2.2.2. Conexiones eléctricas
El mantenimiento electrico preventivo que se realiza al banco de pruebas figura 311 consiste en la limpieza de bornes de los conectores y instrumentos que
34
Banco de prueba para determinación…
presenten oxidación o sarro en sus terminales, posteriormente a la limpieza de las
conexiones eléctricas se limpia el gabinete que alberga todo el circuto eléctrico
previniendo asi material particula que interfiera en el buen funcionamiento del
circuito.
Figura 3-11: Comparativa del mantenimiento Conexiones eléctricas (Olver 2020)
Capítulo 3
35
3.3. Programa de mantenimiento preventivo
El programa de mantenimiento preventivo en la maquina figura 3-12 se propone para
evitar un mal funcionamiento de el banco de prueba a futuro, de esta manera se
garantiza las practicas adecuadas en el banco de prueba y que su utilización por parte
de los estudiantes y profesores sea el optimo, para proceder con el mantenimiento
preventivo se realiza un programana Anexo G en el cual se especifica que tipo de
mantenimiento de debe hacer a cada uno de los componentes que se encuentra en el
banco de pruebas.
Figura 3-12: Banco de pruebas para turbinas Pelton(Olver 2020)
4. Capítulo IV. Guía de laboratorio
Acontinuación de brinda una propuesta de guía para la determinación por parte de los
estudiantes de las curvas características de eficiencia en una turbina Pelton
4.1. Objetivos

Conocer cómo se comporta y funciona una turbina pelton.

Analizar la influencia de las diferentes variables y cómo se comportan al
establecerlas como constantes en la turbina pelton.

Determinar experimentalmente las curvas características de eficiencia de
una turbina pelton.

Comparar el comportamiento de las diferentes curvas características y
determinar la mejor eficiencia para la turbina pelton.
4.2. Variables de punto de operación
Para poder tomar datos es necesario identificar las variables que
determinan el punto de operación de la turbina Pelton:
Q = Caudal
h = Altura
F = Fuerza mostrada en el dinamómetro
n = Velocidad de rotación tacómetro
Pmano = Presión manométrica
NVuel = Número de vueltas válvula angular
para tener el punto de operación de la turbina Pelton se debe simular unas
condiciones de apertura determinada de la valvula angular, posteriormente
Capítulo 4
37
se procede a tomar los datos y registrarlos en las tablas, la variables que no
son medidas por intrumentos se deben hallar por medio de su respectivas
fórmulas como por ejemplo la altura, el toque velocidad angular, caudal
unitario, velocidad unitaria, eficiencia, potencia útil y potencia neta.
4.3. Constantes de punto de operación
Para tomar los datos y poder determinar las curvas características es necesario
contar con variables imprecindibles el momento de realizar los cálculos.
g = Gravedad
𝜌 = Densidad
Rt = Radio de la turbina
𝜋 = Número PI
𝛾 = Peso específico del fluido
D = Diámetro de la turbina
4.4. Altura del sistema
Es importante determinar ya que es una variable de punto de operación aporta
en la determinación de las curvas características de la turbina pelton. Se
calcula la altura mediante la ecuación de presión vs densidad y gravedad la
variable de presion es observable en el manómetro, luego se divide por la
multiplicación de las constantes de fluido y gravedad.
Ecuación 4-1: Atura (Mataix, 1982)
𝑝
ℎ = 𝜌𝑚𝑎𝑛
×𝑔
ℎ: altura
𝑝𝑚𝑎𝑛 : presion manometrica
𝑔: gravedad
38
Banco de prueba para determinación…
𝜌: densidad
4.5. Cálculo de toque de la turbina
Es el cálculo del momento dinámico, al ser una magnitud vectorial que
se obtiene de un punto de aplicación de fuerza y la ecuación se expresa.
Ecuación 4-2: Torque (Mataix, 1982)
τ = (𝐹) × 𝑅𝑡
𝐹: Fuerza mostrada por el dinamometro cuando este funcionando el
banco de ensayos mostrando la fricción que genera.
𝑅𝑡 : Radio del rodete “turbina”
4.6. Velocidad angular de la turbina
La velocidad angular de la turbina es el ángulo barrido de el sistema en
un determinado tiempo, se obtiene mediante la multiplicación de dos
veces el número PI por RPM a dimensiionar, el resultado es dividido por
minuto expresado en segundos.
Ecuación 4-3: Velocidad angular (Mataix, 1982)
w=
𝑛: RPM
𝜋: Constante Pi
2×𝜋×𝑛
60
=
2×𝜋×𝑛𝑖
60
Capítulo 4
39
4.7. Caudal unitario de la turbina
Es el caudal que pasa por una sistema recto con una unidad de diámetro
sobre una vertical proporcionada en el punto de operación.
Ecuación 4-4: Caudal unitario (Mataix, 1982)
𝑄
𝑄1 = 𝐷2 ×
√ℎ
𝑄: Caudal
𝐷: Diametro de el rodete “turbina”
ℎ: Altura
4.8. Velocidad unitaria de la turbina
Es la velocidad de rotación que tiene la turbina, calculada por el resultado de
la velocidad de rotación calculada por un tacómetro por el diámetro de la
turbina dividiendo sobre la vertical proporcionada por el punto de operación
del banco.
Ecuación 4-5: Velocidad unitaria (Mataix, 1982)
𝑛1 =
𝑛×𝐷
√ℎ
𝑛: RPM
𝐷: Diametro de el rodete “turbina”
ℎ: Altura
40
Banco de prueba para determinación…
4.9. Eficiencia de la energía de la turbina
La eficiencia de la energía es el cociente de potencia mecánica y potencia
hidráulica como es un número a dimensionar, no quiere decir que las
unidades de las variables y constante no sean iguales.
La importancia de calcular la eficiencia es el aporte comparativo en las curvas
características, las cuales expresan las condiciones adecuadas necesarias
para aprovechar el máximo rendimiento.
Ecuación 4-6: Eficiencia de una turbina (Mataix, 1982)
𝜂=
𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎
ptenci𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎
τ×𝑤
= 𝛾×𝑄×ℎ
τ = Torque
ℎ: Altura
𝛾: Peso específico de el fluido
𝑄: Caudal
𝑤: Velocidad Angular de la turbina
4.10. Potencia útil o mecánica
Es la potencia que entrega la turbina al eje, la cual corresponde a un resultado
del par de fuerzas que genera el eje de la turbina, para medir la velocidad de
rotación se hace por medio de un tacómetro láser, el par de fuerza generado
por el eje de la turbina se mide por medio de un freno prony el cual dara la
fuerza que se efectua en el momento expresada en Nm, la potencial útil se
representa con la siguiente fórmula:
Ecuación 4-7: Potencia útil o mecanica (Mataix, 1982)
𝑷ú𝒕𝒊𝒍 = τ × 𝑤
τ: Torque
𝑤: Velocidad Angular de la turbina
Capítulo 4
41
4.11. Potencia neta o hidráulica
Es la potencia que entrega el fluido a la turbina, al ser la potencia
que tiene el fluido a la entrada de la turbina ya que su salida se
considera nula.
Ecuación 4-8: Potencia neta o hidráulica (Mataix, 1982)
𝑷𝒏𝒆𝒕𝒂 = 𝛾 × 𝑄 × ℎ = 𝜌 × 𝑔 × ℎ × 𝑄
ℎ: Altura
𝛾: Peso específico de el fluido
𝑄: Caudal
𝑔: Gravedad
𝜌: Densidad
4.12. Tablas a rellenar
Tabla 1
Valores experimentales a NVuel = 2
1
n(RPM)
2
Presion
manometrica
(PSI)
3
4
5
Caudal
(L/h)
Torque
(Nm)
h(m)
60
120
180
240
300
360
Datos corregidos a h =
20m
6
7
8
n(RPM)
Q(L/h)
T
(Nm)
42
Banco de prueba para determinación…
9
10
11
PNETA(W) PUTIL(W) W(rad/s)
12
13
14
𝜂(%)
Q1(m3/h)
n1(RPM)
Tabla 2
Valores experimentales a NVuel = 8
1
n(RPM)
2
Presión
manometrica
(PSI)
3
4
5
Caudal
(L/h)
Torque
(Nm)
h(m)
Datos corregidos a h =
20m
6
7
8
n(RPM)
Q(L/h)
T
(Nm)
60
120
180
240
300
360
9
10
11
PNETA(W) PUTIL(W) W(rad/s)
12
13
14
𝜂(%)
Q1(m3/h)
n1(RPM)
Capítulo 4
43
Tabla 3
Datos corregidos a h =
20m
6
7
8
Valores experimentales a NVuel = 12
1
n(RPM)
2
Presion
manometrica
(PSI)
3
4
5
Caudal
(L/h)
Torque
(Nm)
h(m)
n(RPM)
Q(L/h)
T
(Nm)
60
120
180
240
300
360
9
10
11
PNETA(W) PUTIL(W) W(rad/s)
12
13
14
𝜂(%)
Q1(m3/h)
n1(RPM)
Tabla 4
Valores experimentales a NVuel = 18
1
n(RPM)
2
Presion
manometrica
(PSI)
3
4
5
Caudal
(L/h)
Torque
(Nm)
h(m)
60
120
180
240
300
360
Datos corregidos a h =
20m
6
7
8
n(RPM)
Q(L/h)
T
(Nm)
44
Banco de prueba para determinación…
9
10
11
PNETA(W) PUTIL(W) W(rad/s)
12
13
14
𝜂(%)
Q1(m3/h)
n1(RPM)
4.13. Gráficas
La construcción de las gráficas que determinan el comportamiento de las
curvas características para la turbina Pelton, está suficientemente detallada
en la introducción del presente trabajo. Es necesario realizar las 4 graficas
por cada tabla de toma de datos, con el fin de poder evidenciar cual es la
mejor configuración para los puntos de operación que tiene el banco de
pruebas.
Figura 4-1:
Caudal unitario VS Velocidad unitaria (maquirriain, 2017)
Gráfica de caudal unitario vs velocidad unitaria
Q(11)
m3/h
120
100
80
60
40
20
0
200
600
1000
1200
1600
n(11)
RPM
Capítulo 4
45
Figura 4-2:
Toque VS Velocidad de rotación (maquirriain, 2017)
T
Nm
Gráfica de torque vs velocidad de rotación (RPM)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
200
600
1000
1200
1600
n
RPM
Figura 4-3:
Altura VS Potencia útil (maquirriain, 2017)
h
m
Gráfica de altura vs potencia útil
120
100
80
60
40
20
0
200
600
1000
1200
1600
PUTIL
Watts
46
Banco de prueba para determinación…
Figura 4-4:
Toque VS Presión manométrica (maquirriain, 2017)
Gráfica de torque vs Presion manometrica
T
Nm
120
100
80
60
40
20
0
200
600
1000
1200
1600
Pman
PSI
La importancia de estas gráficas radica en la disposición, por parte del interesado en
el tema, de un medio expedito para la toma de decisiones, dado que en ellas se
evidencia, de manera explícita, cual es la mejor configuración para los puntos de
operación que tiene el banco de pruebas.
4.14. Actividades de desarrollo
Para poder realizar correctamente la guía de laboratorio es necesario seguir
adecuadamente las actividades a continuación.
 Actividad 1. Revisión previa al encendido del banco de pruebas
Paso 1: se precisa identificar en el panel de control el botón de encendido,
apagado y emergencia, con el objetivo de conocer la apertura y cierre del circuito
eléctrico del banco de pruebas, asegurarse de que el sistema eléctrico de inicio
este abierto.
Paso 2: posteriormente se debe conectar el cable de poder en una toma AC de
220 voltios.
Paso 3: se debe asegurar que la válvula 1 se encuentre abierta en su totalidad,
que la válvula 3 se encuentre en su totalidad abierta, la válvula 2 se encuentre
cerrada en su totalidad y que la válvula del tanque se encuentre cerrada.
Capítulo 4
47
Paso 4: revisar que la cúpula de protección se encuentre puesta en su sitio
adecuadamente y que el dinamómetro se encuentre 0.
Paso 5: luego de hacer las revisiones pertinentes se procederá a llenar el tanque
con agua hasta la medida máxima que se señala en el tanque.
 Actividad 2. Desarrollo de las tablas y gráficas.
Paso 1: se procederá a oprimir el pulsador de inicio de color verde, al momento
de ver que la maquina funciona se debe dejar funcionar 30 segundos y luego
apagarla, con el fin de permitir que el circuito hidráulico sea llenado en su totalidad
y posteriormente apagar el banco de pruebas.
Paso 2: se procede a cerrar la válvula 3 y abrir la válvula 2 con las vueltas
especificadas en la primera tabla, luego se ajusta él dinamómetro a la capacidad
que se registra en la tabla y luego se procede a encender nuevamente el banco
de pruebas.
Paso 3: se toma apuntes de los datos, velocidad de rotación “se toma con el
tacómetro laser apuntando a la polea”, presión manométrica a la salida de la
válvula 2 “se revisa el manómetro”, caudal y se calcula la altura “con la formula”.
Paso 4: luego de tomar los apuntes con la configuración de punto de operación
que determina la tabla 1 se procede a corregir la altura con la válvula 1 y así poder
obtener los datos faltantes de la tabla como lo son: velocidad de rotación, caudal,
torque, potencia neta, potencia útil, velocidad angular, eficiencia, caudal unitario
y velocidad unitaria.
Paso 5: luego de llenar completamente la tabla 1 se procede a colocar los puntos
de operación calculados con altura corregida en las 4 gráficas y luego se unen los
puntos para así poder obtener la gráfica de la curva característica correspondiente
a la gráfica que se halla llenado.
 Actividad 3. Conclusiones guía de laboratorio.
Paso 1: luego de determinar las 4 curvas características se procede a comparar
con las gráficas pertenecientes a las otras 3 tablas de datos.
Paso 2: posteriormente de haber comparado se realizan las conclusiones y se da
por terminada la guía de laboratorio
48
Banco de prueba para determinación…
Para poder llenar las tablas 2, 3 y 4 es necesario seguir en su totalidad la actividad
número 2, para poder realizar la actividad número 3 y terminar con la guía de
laboratorio.
Figura 4-5: Diagrama del proceso y disposición de elementos del equipo (Olver
2020)
Tacómetro RPM portátil
laser
Tobera de diámetro
de ½
pulgada
Boquilla de salida
libre
Manómetros
Correa
Freno
Válvula #3 de bola
Freno
Prony
Turbina Pelton
con polea
Caudalímetro
Generado
r
Correa
Generador
Válvula #2 Angular
Tanque
Bomba
Válvula #1 flujo directo
Válvula tanque
5. Conclusiones y recomendaciones
5.1. Conclusiones
1. Al desarrollar el diagnóstico y caracterización del banco didáctico se pudo constatar
que presentaba: oxidación en la estructura, tanque de agua, partes y piezas.
También se detectaron daños mecánicos en la bomba, tuberías con fugas,
manómetros deteriorados, las protecciones de turbina y polea con roturas, e
instrumentos de medidas eléctrica sin funcionamiento, así como falta de
mantenimiento.
2. Las mejoras realizadas al banco didáctico consistieron en el mantenimiento a la
estructura, bomba y generador, la instalación y montaje de nuevos instrumentos de
medición como: caudalímetro, tacómetro, dinamómetro, manómetros y pizarra de
control, todo ello implica que la universidad Antonio Nariño sede Neiva, disponga
de un banco didáctico de ensayos para la determinación y estudio de las curvas
características de una turbina Pelton.
3. Con las mejoras al banco didáctico se pueden desarrollar las prácticas de
laboratorio que determinan las curvas características de caudal unitario vs
velocidad unitaria, torque vs velocidad de rotación, altura vs potencia útil y torque
vs presión manométrica de las turbinas PELTON.
4. Se hace una propuesta de una guía de laboratorio para estudiantes del programa
de ingeniería mecánica, que permite el estudio teórico-práctico de las principales
variables y obtención de las principales curvas características de una turbina
Pelton.
50
Banco de prueba para determinación…
5.2. Recomendaciones
Se recomienda realizar un estudio que permita incrementar el análisis para la incorporación
de otras curvas características.
Se recomienda evaluar la posibilidad de interconectar el banco de prueba con un software
que determine las curvas características en tiempo real.
Anexo A. Certificado de funcionamiento de válvula angular
51
A.
Anexo: Certificación de
funcionamiento de la válvula angular
Anexo B. Certificado de funcionamiento de manómetros
B. Anexo: Certificación de
funcionamiento de manómetros
52
Anexo B. Certificados de funcionamiento de manómetros
53
Anexo B. Certificados de funcionamiento de manómetros
54
Anexo B. Certificados de funcionamiento de manómetros
55
Anexo B. Certificados de funcionamiento de manómetros
56
Anexo B. Certificados de funcionamiento de manómetros
57
Anexo B. Certificados de funcionamiento de manómetros
58
Anexo B. Certificados de funcionamiento de manómetros
59
Anexo B. Certificados de funcionamiento de manómetros
60
Anexo B. Certificados de funcionamiento de manómetros
61
Anexo B. Certificados de funcionamiento de manómetros
C.
62
Anexo B. Certificados de funcionamiento de manómetros
63
Anexo C. Certificado de funcionamiento del caudalímetro digital
C. Anexo: Certificado de
funcionamiento caudalímetro digital
64
Anexo C. Certificados de funcionamiento del caudalímetro digital
65
Anexo D. Manual de funcionamiento tacómetro
66
D. Anexo: Manual de funcionamiento
tacómetro
Anexo D. Manual de funcionamiento tacómetro
67
Anexo D. Manual de funcionamiento tacómetro
68
Anexo E. Certificado de mantenimiento bomba
E.
Anexo: Certificado de
mantenimiento bomba
69
Anexo F. Certificado de funcionamiento Vatímetro
F.
Anexo: Certificado de
funcionamiento vatímetro
70
Anexo G. Plan de mantenimiento preventivo
71
G. Anexo: Plan de mantenimiento
preventivo
El plan de mantenimiento presentado a continuación ilustra la manera correcta en la que
se debe realizar el mantenimiento para los diferentes componentes que se encuentran en
el banco de pruebas, el mantenimiento también lo debe realizar las empresas que han
calibrado y colocado a punto de operación los diferentes instrumentos y maquinas.
Objeto
Tipo de
mantenimiento
Bomba MARATHON
JVD162TCFR17007AA L
Generador SIEMENS
1LA7 070-4YA60
Manómetros
Caudalímetro
Mantenimiento
preventivo
Mantenimiento
preventivo,
correctivo y
calibración
Tanque y Tolva
Mantenimiento
preventivo
Cúpula de
protección
Mantenimiento
preventivo
Quien realiza el
mantenimiento
La empresa EL
DESVARE DE LO
INDUSTRIAL
ubicada en NeivaHuila en la dirección
Carrera 2 # 1 – 16
local 2
Observaciones
El mantenimiento se
hace
cada
12
meses
en
la
empresa indicada
El mantenimiento se
realiza cada 12
meses o cada 400
prácticas
de
laboratorio
realizadas en el
banco
Se debe limpiar el
tanque y tolva antes
de llenar el tanque
de agua y después
de culminar las
practicas se debe
retirar todo el agua
en tanque y tolva
El estudiante o
para
prevenir
profesor que opera
corrosión
el banco de prueba
Se debe retirar toda
el agua que se
encuentre en la
cúpula previniendo
así manchas que no
permitan la perfecta
visualización de la
turbina
La
empresa
SERVITEINS J&I
S.A.S. ubicada en
Neiva-Huila en la
dirección Calle 14
sur # 23ª – 09
Anexo H. Tabla de presupuesto
H.
Cantidad
1
3
1
1
1
1
2
1
4
1
3
1
2
26
1
13
2
7
3
1
1
72
Anexo: Tabla de presupuesto
Descripción
Mantenimiento correctivo de la
bomba
Manómetros
Caudalímetro
Válvula angular
Valor unitario
$170.000
Total
$170.000
$68.000
$490.000
$360.000
$204.000
$490.000
$360.000
Dinamómetro
Cúpula de protección turbina
Media lamina de acrílico
Media lamina de madera
Rodachinas para andamio de 110
kg
Tacómetro laser
Certificación de manómetros
Certificación de caudalímetro
¼ de pintura de trafico
Tornillos, arandelas y tuercas
2 metros de tubo PVC de presión
de 1.5 pulgadas
Codos de PVC de presión de 1.5
pulgadas
Acoples roscados de PVC de
presión de 1.5 pulgadas
Entrada macho de PVC de presión
de 1.5 pulgadas
Entrada hembra de PVC de
presión de 1.5 pulgadas
Válvula de globo de PVC de
presión de 1.5 pulgadas
20 metros de cable electico calibre
18
$30.000
$235.000
$150.000
$68.000
$89.600
$30.000
$235.000
$300.000
$68.000
$358.400
$137.000
$316.000
$345.000
$28.000
$49.000
$6.000
$137.000
$948.000
$345.000
$28.000
$49.000
$12.000
$4.600
$59.800
$12.500
$25.000
$7.000
$49.000
$6.800
$20.400
$16.700
$16.700
$950
$19.000
Total
3’923.900
Bibliografía
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